基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统和方法

摘要

一种基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统和方法，所述呼吸检测系统包括：呼吸收集装置、呼吸检测芯片、气体驱动装置以及拉曼检测设备，其中，呼吸收集装置用于收集呼吸样品，并将呼吸样品提供到呼吸检测芯片中，气体驱动装置与呼吸检测芯片相连，用于驱使呼吸样品通过呼吸检测芯片，呼吸检测芯片包括：衬底、形成于衬底内的微流控通道，微流控通道具有附着贵金属纳米颗粒的纳米凸起结构，修饰贵金属纳米颗粒的捕捉剂以及用于密封微流控通道的透明盖片。本发明可以用于呼吸成分的快速高灵敏度检测，且成本较低。

说明书

技术领域

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统和方法。

背景技术

呼吸气体是一种含有环境气体、水蒸气及其他痕迹可挥发性有机成分及非挥发成分的气体混合物。呼吸检测是一种定性定量研究呼吸成分的检测方法，作为一种非侵入性的诊断手段可以用于早常规体检及如肺癌、肺结核、糖尿病及心脏疾病等不同疾病的早期诊断中。由于其无创无痛及收集简易等特性，呼吸检测在健康诊断、生物信息学及制药领域得到了国内外尖端领域研究的关注。

检测呼吸成分的主要方法是通过聚氟乙烯泰德拉气体采集袋采集呼吸样品，通过固相萃取装置(SPME)进行呼吸样品富集，最后由气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)分析呼吸成分。然而，由于SPME富集期间需要经过物理吸附、热解吸或液体洗脱等许多步骤，呼吸样品捕获及富集效率一直无法得到提高。随着近年来化学分析仪器精确度及灵敏度的提高，一些新型分析化学仪器包括傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICRMS)，质子转移反应质谱(RTP-MS)，选择性离子流动管质谱(SIFT-MS)等开始运用于呼吸检测中。然而，上述方法需要用到昂贵的大型专业分析化学质谱仪器，无法满足越来越多的低成本快速日常检测的需求。

迅速发展的微电子机械系统(MEMS)技术以及纳米技术为人体呼吸的快速、准确检测提供了新的手段，特别是微流控芯片全分析系统，可为呼吸样品的检测提供一个闭环控制的集成检测系统；将样品的富集、解吸、检测分析的整个过程集约。一些金属氧化物/碳纳米管及有机金属/碳纳米管等新型纳米材料气体传感器被直接运用于呼吸检测，但该类传感器仅能检测氨气、一氧化碳、甲醇等极小分子气体，同时呼出气体中高湿度等特点也严重影响了传感器信号的读取。一种通过有机金属化合物修饰的比色传感器矩阵被用于检测呼吸气体中的pH值、极性及路易斯酸碱度，从而辨别呼吸中的生物印记进行肺癌诊断。另一种通过类似有机贵金属化合物修饰的化学电阻传感器矩阵可以通过呼吸中成分的不同导致相对电阻值的变化诊断癌症。然而，该类传感器需要对传感器矩阵每一个点位进行不同修饰，制备过程复杂；同时，由于呼出气体中含有大量的水蒸气，且不同人群所处环境湿度不同，呼吸中水蒸气分压也有所不同，从而导致检测结果出现偏差。

呼吸检测作为一种日常的疾病早期筛查手段，需要利用高灵敏度、低成本的检测方法，高效率获取有效呼吸成分，进行快速定性分析，满足这类需求的方法目前还不存在。

表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering，SERS)技术由于可以在分子水平上给出物质的结构信息，且具有极高的检测灵敏度(甚至可以实现单分子检测)和极高的选择性，只需极少量的待测物，就能获得有关分子结构细节的拉曼光谱图。而且，水的拉曼散射信号很微弱，拉曼光谱是研究含有水分子的化学样品的理想工具。因此，该技术在检测高含量水蒸气气氛下的呼吸样品中具有临床意义的痕量(0.1-100ppb)可挥发气体成分，具有非常广阔的应用前景。同时，SERS技术本身低成本、可快速实时检测等特点也均符合呼吸检测的研究需求。但是，呼吸中的小分子物质拉曼效应活性很低，无法直接将呼吸样品通入SERS芯片后进行检测，目前利用SERS技术进行呼吸检测的相关研究较少。

发明内容

为了解决现有技术中呼吸检测灵敏度低、成本高、无法快速检测等问题，本发明提出了一种基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统和方法，可以利用便携式拉曼检测系统进行快速检测。

一方面，本发明的基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统包括：呼吸收集装置、呼吸检测芯片、气体驱动装置以及拉曼检测设备，其中，呼吸收集装置用于收集呼吸样品，并将呼吸样品提供到呼吸检测芯片中，气体驱动装置与呼吸检测芯片相连，用于驱使呼吸样品通过呼吸检测芯片，呼吸检测芯片包括：衬底、形成于衬底内的微流控通道，微流控通道具有附着贵金属纳米颗粒的纳米凸起结构，修饰贵金属纳米颗粒的捕捉剂以及用于密封微流控通道的透明盖片。

衬底为硅片，透明盖片由玻璃片、聚酸甲酯、聚碳酸酯板材料制成。

所述纳米凸起结构是能够增强拉曼散射效果的纳米结构，所述纳米凸起结构的形状选自锥状、圆台状、圆柱状或方柱状中的一种或几种。

贵金属纳米颗粒为金、银或铜，优选地，贵金属纳米颗粒通过喷溅或溶液浸泡芯片的方式形成于纳米凸起结构上。

所述捕捉剂为氨氧基硫醇或烯烃氨基硫醇，优选地，氨氧基硫醇为1-氨氧基十二烷基硫醇。

气体驱动装置为负压控制器或者注射器，负压控制器与微流控通道出口连接，用于驱使呼吸气体从微流控通道穿行。优选地，负压控制器包括气体流量计和负压源，其中气体流量计的一端与负压源连接，气体流量计的另一端接入的微流控通道出口。

呼吸收集装置包括：气体传感器、控制系统、压缩泵和废气阀，气体传感器用于检测呼吸样品中指标成分的含量，控制系统用于根据气体传感器的检测结果来控制压缩泵的开闭。优选地，当指标成分的含量低于预定值时，压缩泵关闭，呼吸样品从废气阀流出，当指标成分的含量高于预定值时，压缩泵开启，呼吸样品进入气体样品袋。

所述气体传感器为二氧化碳传感器、氧气传感器或丙酮传感传感器。优选地，所述气体传感器前设置有细菌过滤网。

另一方面，本发明的呼吸检测方法包括呼吸样品收集、呼吸样品处理和拉曼光谱分析，

其中，在呼吸样品收集阶段，收集肺泡呼吸部分的呼吸样品；

在呼吸样品处理阶段，使收集到的呼吸样品通过含有捕捉剂的呼吸检测芯片，并记录呼吸样品的体积；

在拉曼光谱分析阶段，将呼吸检测芯片置于拉曼检测设备中得到拉曼谱图，根据拉曼谱图分析呼吸成分。

其中，在呼吸样品收集阶段，检测肺泡呼吸部分的指标气体含量，当指标气体含量高于预定值时收集气体样品，优选地，指标气体为二氧化碳、氧气或丙酮。

呼吸检测芯片中的捕捉剂为氨氧基硫醇或烯烃氨基硫醇，优选地，氨氧基硫醇为1-氨氧基十二烷基硫醇。

相较于现有技术，本发明具有以下特点：

(1)相比于现有的物理吸附、热解吸或液体洗脱等呼吸样品处理方法效率较低的缺点，本发明通过化学反应可实现高效率捕获呼吸中的可挥发性羰基化合物(VCC，Volatile Carbonyl Compounds)。同时，本发明可实现对VCC的拉曼光谱检测，相比于利用昂贵的分析化学仪器的呼吸检测方法，拉曼检测可以同样进行快速高灵敏度检测，且成本较低；

(2)本发明基于微纳加工技术和微流控技术，通过微纳加工工艺只需一块掩膜版，即可制备在微流控通道中附着贵金属纳米颗粒的纳米粗糙结构，该结构可产生“热点”效应从而提高被测样品拉曼光谱的强度，同时贵金属纳米颗粒表面所修饰的氨基氧饱和脂肪硫醇可以对呼吸样品中的羰基化合物进行捕获并富集，将样品富集、激活及检测功能集成于同一个芯片中，大大降低工艺制备成本及操作难度；

(3)通过气体传感器控制呼吸收集装置只收集人体呼出气体的肺泡呼吸部分，该部分更好地体现了肺部新陈代谢水平，有效避免了周围环境中的气体对于呼吸检测的影响。

附图说明

图1为本发明的呼吸检测芯片的结构横截图；

图2为氨氧基饱和脂肪硫醇的合成路线图；

图3为本发明的呼吸检测芯片点击化学反应原理图；

图4为1-氨氧基十二烷基硫醇在呼吸检测芯片上的SERS谱图；

图5为呼吸中CO₂含量变化趋势图

图6为本发明的呼吸收集装置示意图；

图7为本发明的呼吸样品处理装置图；

图8为不同收集方法所得到呼吸样品的2-丁酮浓度；

图9为一位非吸烟者的该呼吸检测系统SERS谱图。

附图标记说明：

100-呼吸收集装置；200-呼吸检测芯片；300-气体驱动装置；1-衬底；2-盖片；3-微流控通道；4-贵金属颗粒；5-氨氧基硫醇分子；6-二氧化碳传感器；7-控制系统；8-压缩泵；9-废气阀；10-细菌过滤网；11-气体样品袋；12-气体流量计；13-负压源。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统。该系统包括：呼吸收集装置100、呼吸检测芯片200、气体驱动装置300以及拉曼检测设备。其中，呼吸收集装置100用于收集呼吸样品，并将呼吸样品提供到呼吸检测芯片200中，气体驱动装置300与呼吸检测芯片200相连，用于驱使呼吸样品通过呼吸检测芯片200。呼吸检测芯片200包括：适于气体扩散的微流控通道，微流控通道具有附着贵金属纳米颗粒的纳米凸起结构，修饰贵金属纳米颗粒的捕捉剂以及用于密封微流控通道并适用于表面增强拉曼散射检测的透明盖片。其中，捕捉剂用于捕捉呼吸样品中待测气体成分，捕捉剂可以为氨氧基硫醇、烯烃氨基硫醇等。

呼吸样品可以通过呼吸收集装置100收集到气体样品袋中，气体样品袋与呼吸检测芯片的微流控通道入口相连。气体驱动装置300可以是一个负压控制器，负压控制器与微流控通道出口连接，用于驱使呼吸气体从微流控通道穿行。气体样品通入呼吸检测芯片200时或完全通过呼吸检测芯片200后可通过拉曼检测设备对呼吸检测芯片进行检测，得到相应的拉曼图谱，通过对反应前和反应后的拉曼图谱进行对比，从而定性定量得到呼吸样品中相应可挥发气体成分及含量。

下面请参照图1，在一个实施例中，呼吸检测芯片200包括：含有微纳结构的衬底1和与衬底紧密相连的盖片2。在衬底1内形成适于气体均匀扩散的微流控通道3，微流控通道3中含有通过微纳加工形成的具有表面增强拉曼散射效果的纳米凸起结构，凸起结构表面被纳米贵金属颗粒4包裹，贵金属颗粒4表面与氨氧基硫醇分子5的巯基官能团一端进行键合，分子另一端的氨氧基基团可与羰基化合物发生肟化点击反应，用于捕获样品中的羰基化合物。

芯片衬底1可以为硅片，盖片2可以为玻璃片、聚酸甲酯(Polymethylmethacrylate，简称PMMA，英文Acrylic，又称做压克力、亚克力或有机玻璃)、聚碳酸酯板(PC)等气密性良好的透明材料。芯片中所设计的微流控通道3适用于所有常规通道形状，纳米凸起结构可以为锥状、圆台状、圆柱状或方柱状等可增强拉曼散射效果的纳米结构，贵金属颗粒可以为金、银或铜等，纳米贵金属颗粒4可以通过纳米颗粒喷溅、含有纳米贵金属的溶液浸泡芯片等方法形成于纳米凸起结构上，氨氧基硫醇分子5可以为化学方程式为H₂NO-Z-SH，其中Z是连接基团，可以取代或未被取代的芳基、取代或未被取代的烷基或者醚类基团。

在一个实施例中，所合成的化学改性物质为1-氨氧基十二烷基硫醇。合成的步骤如图2所示。主要步骤包括：

a)向(1)的甲醇溶液中加入2倍当量的无水K₂CO₃，然后加入1.2倍当量的三苯甲硫醇，在40℃下反应16小时。反应结束后旋干，用二氯甲烷溶解并用水洗多次，收集有机相后经柱层析分离得到(2)；

b)将(2)、N-羟基邻苯二甲酰亚胺及三苯基膦以1/1.3/1.3的摩尔比溶于无水四氢呋喃中，经冷冻抽排除去氧气，然后在0℃下滴加1.3倍当量的偶氮二甲酸二异丙酯，滴加完毕后升至室温并反应过夜。旋干溶剂，用二氯甲烷溶解，经柱层析分离得到(3)；

c)将(3)溶于二氯甲烷中，加入20倍当量的水合肼，室温反应3小时后旋干，然后经柱层析分离得到(4)；

d)将(4)溶于二氯甲烷，然后加入过量的三氟乙酸和0.6倍当量的三乙基硅烷，在室温和N₂保护条件下反应3h。然后旋干溶剂，并经柱层析分离得到(5)。

根据需求可选择其他步骤进行合成，并可合成含有其他连接基团Z的氨氧基硫醇。

在另一个实施例中，捕捉剂是烯烃氨基硫醇，芯片在紫外线照射下可捕捉呼吸气体中的可挥发性硫化物(Volatile Sulfur Compounds，VSC)。烯烃氨基硫醇的化学方程式是H₂C＝Y-Z-SH，其中Y是氨基取代基团，用于捕捉剂与VSC的自催化效应；Z是连接基团，可以取代或未被取代的芳基、取代或未被取代的烷基或者醚类基团。

在一个实施例中，芯片衬底1为通用4寸硅片，厚度为300微米。微流控通道3为高度1至5微米，横截宽度20至200微米的U型锯齿状通道，通过硅刻蚀在硅片背面留出微流控通道3的入口与出口。微流控通道3中含有底部直径200纳米，顶部直径100纳米的圆台状纳米森林结构，表面附着通过喷溅方法所得金纳米贵金属颗粒4层。通过阳极键合，衬底与玻璃片紧密结合。切割后，芯片大小为1至5毫米正方形。微流控通道3入口与出口处通过毛细石英管连接，将1-氨氧基十二烷基硫醇-乙醇溶液通过连接管道注入芯片中，在氮气保护下室温8小时后，该分子的巯基官能团可与金原子自组装键合，该分子另一端的氨氧基可通过肟化反应特异性捕获气体样品中的羰基化合物，其原理如图3所示。

通过有机化学合成的氨基氧饱和脂肪硫醇分子一端含有的氨氧基可以进行特异性肟化反应，高效率捕获呼吸中的VCC。本发明使用的肟化反应被称为点击反应(ClickReaction)，反应迅速且效率极高。同时，该物质另一端的巯基与贵金属之间相互作用，对芯片纳米贵金属结构表面功能化修饰，可以使呼吸中的VCC具有拉曼活性并对拉曼信号产生了增强效应，实现了羰基化合物的拉曼光谱检测。

图4显示了0.1mol/L 1-氨氧基十二烷基硫醇溶液滴加在普通硅片的拉曼光谱图以及在呼吸检测芯片上所得SERS谱图的区别，可以从谱图中识别出在2900cm^-1处的C-H键伸缩振动峰、3421与3519cm^-1处的N-H键伸缩振动峰、1100～1470cm^-1处的C-H键弯曲振动带、1105cm^-1处的C-O键伸缩振动峰以及1531cm^-1处的O-N键伸缩振动峰，从而证实呼吸芯片表面可以被十二烷基硫醇改性，同时比较普通拉曼谱图与呼吸芯片SERS谱图上1531cm^-1的信号峰值得到呼吸芯片的拉曼信号被放大约25000倍。

利用本发明的呼吸检测系统进行呼吸检测操作，包括三个主要步骤：即呼吸样品收集、呼吸样品处理和拉曼光谱分析。

在呼吸样品收集阶段，由于人体呼出的气体主要分为潮气呼吸(Tidal breath)和肺泡呼吸(Alveolar Breath)两部分。其中，潮气呼吸部分的气体主要体现周边环境空气成分；而肺泡呼吸主要体现肺部细胞新陈代谢水平。因此，受试者需要通过特定的呼吸收集仪器收集呼出气体中的肺泡呼吸部分，潮气呼吸和肺泡呼吸最显著的区别是呼吸成分中二氧化碳含量的变化，其中，潮气呼吸中二氧化碳分压较低，肺泡呼吸中二氧化碳分压较高，其变化趋势如图5所示。受试者通过呼吸采集器将肺泡呼吸收集入气体样品袋中。

如图6所示，在一个实施例中，呼吸收集装置100包括：二氧化碳传感器6、控制系统7、压缩泵8和废气阀9，受试者呼出气体进入采集器后通过二氧化碳传感器6，当二氧化碳分压小于100Pa时，压缩泵8处于关闭状态，气体从废气阀9流出；当分压超过100Pa时，通过控制系统7的控制，压缩泵8自动开启，气体进入气体样品袋中。根据实施例需求在不同环境下，二氧化碳分压的临界值可以调整为50-150Pa。二氧化碳传感器6前还可以设置一个细菌过滤网10，用来过滤呼出气体中的细菌。在一个实施例中，气体样品袋采用商用Tedlar样品袋，根据需求可选择Tedlar、Kynar、Flexfilm或铝膜样品袋。

通过呼吸中二氧化碳含量控制装置气泵开关来收集人体呼出气体中的肺泡呼吸，更能体现肺部细胞的新陈代谢水平，同时提高了呼吸样品分析的可靠性。

呼吸收集装置100还可以通过其他气体传感器如氧气或丙酮气体传感器等来实现收集肺泡呼吸的效果。

如图7所示，在呼吸样品处理阶段，将已收集到肺泡呼吸的气体样品袋11通过气密性良好的软管与芯片入口连接，芯片另一端与负压控制器连接。负压控制器包括：气体流量计12和负压源13，其中气体流量计12的一端与负压源13通过气密性良好的软管连接，气体流量计12的另一端接入呼吸检测芯片200的微流控通道出口。打开负压源13后，气体样品从气体样品袋11中抽出进入芯片200，其中的羰基化合物被芯片捕获，气体流量计12显示气体通过芯片200的流量。

在一个实施例中，通过调节负压源13将流量设定为3.5mL/min，根据不同芯片设计，流量可设定为2-10mL/min。当样品袋中气体完全抽干后，记录整个过程时间，计算样品袋中气体的实际体积。将芯片取出，两端进行密封操作。

除了负压控制器，还可以使用其他方法使呼吸样品进入芯片中，例如利用塑料注射器收集呼吸样品并通过正压将注射器中的呼吸样品压入芯片中等方式。

在拉曼光谱分析阶段，将芯片置于拉曼检测设备中，在波长为633nm的光源照射下产生拉曼谱图，根据拉曼谱图不同峰带的分布状态代表呼吸成分中相应的羰基化合物，从而进行相关健康状况的评价及相关肺部疾病的早期诊断。在一个实施例中，采用商用Renishaw inVia-Reflex拉曼光谱仪，根据需求可选择其他型号拉曼光谱仪。

在本发明的一个实施例中，通过检测呼吸中二氧化碳的含量，控制呼吸收集装置只收集人体呼吸的肺泡呼吸部分，对比同一志愿者、同一时间段、同一地点直接向呼吸样品袋呼出气体样品与通过呼吸收集装置收集的呼吸样品，如图8所示，由于肺泡新陈代谢产生的2-丁酮含量较普通环境中的含量更多，通过呼吸收集装置收集到的呼吸样品中2-丁酮的浓度不会被环境空气稀释，更能准确表达肺部的新陈代谢水平。同时，肺泡呼吸的浓度更加稳定，增强了呼吸检测的可重复性。

图9是一位非吸烟志愿者通过该呼吸检测系统检测所得到的拉曼谱图，位于3421与3519cm^-1处的峰值减少，出现1620cm^-1处的C＝N键伸缩振动峰，验证呼吸中的羰基化合物与呼吸芯片的改性物质发生肟化反应，并可被拉曼检测系统检测到，证实该系统可用于进行呼吸检测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。